Вчені зробили задовільне та інтригуюче фізичне відкриття приблизно через 16 років після того, як було вперше передбачено його можливість: квазічастинка (група частинок, що поводяться як одна), яка має ефективну масу лише тоді, коли рухається в одному напрямку. У фізиці маса зазвичай відноситься до властивостей частинок, які стосуються таких речей, як їх енергія та опір руху. Проте не вся маса побудована однаково – деякі з них описують, наприклад, енергію частинки в стані спокою, тоді як маса також може враховувати енергію руху частинки.
У цьому випадку ефективна маса описує реакцію квазічастинки на сили, яка змінюється залежно від того, чи відбувається рух крізь матеріал вгору-вниз, чи вперед-назад. У той час як звичайні квазічастинки мають однакову масу незалежно від напрямку їх руху, напівдираківський ферміон (якщо дати йому технічну назву), який тут вивчається, здається, не діє за нормальними правилами.
Це відкриття, яке може кардинально змінити ситуацію в таких галузях, як квантова фізика та електронні сенсори. Нова квазічастинка була виявлена міжнародною командою вчених всередині напівметалічного кристала ZrSiS, охолодженого до -452 градусів за Фаренгейтом (або -269 градусів за Цельсієм) – екстремальний набір умов для надзвичайно рідкісної квазічастинки.
Загалом частинки можна описати як бозони або ферміони залежно від міри властивості, яка називається спіном. Ферміони Дірака – як у типовій, так і у квазічастинковій формі – мають властивості, які мають протилежні форми частинок і античастинок. Цей напівдираківський ферміон, детально описаний у новому дослідженні, є дивним звіром, який існував лише в теорії до цього часу, працюючи в дуже різних напрямках енергії в перпендикулярних напрямках.
«Це було абсолютно несподівано», — каже фізик із конденсованих речовин Іньмін Шао з Університету штату Пенсільванія. «Ми навіть не шукали напівдираківський ферміон, коли почали працювати з цим матеріалом, але ми бачили сигнатури, які ми не розуміли».
«Виявляється, ми вперше спостерігали ці дикі квазічастинки, які іноді рухаються, ніби мають масу, а іноді — ніби її не мають».
Дослідники використовували науковий метод аналізу, відомий як магнітооптична спектроскопія, коли вони зробили відкриття. Тут досліджуються матеріали за допомогою відбиття інфрачервоного світла, яке вони випромінюють під впливом сильного магнітного поля.
Ми дійсно маємо на увазі сильне: приблизно в 900 000 разів сильніше за магнітне поле Землі, люб’язно надане Національною лабораторією сильного магнітного поля у Флориді. Це екзотичні умови, які вчені використовують для вивчення найрідкісніших взаємодій у найдрібніших масштабах.
Звідти спостерігали та ідентифікували напівдіраківську ферміонну активність за допомогою певного чисельного моделювання: він був безмасовим в одному напрямку (з усією його енергією, що описується його рухом), але мав ефективну масу в іншому. На щастя для нефізиків, дослідники наводять аналогію.
«Уявіть, що частинка — це крихітний потяг, обмежений мережею доріжок, які є основною електронною структурою матеріалу», — говорить Шао. «Тепер у певних точках шляхи перетинаються, тому наш потяг частинок рухається по своєму швидкому шляху зі швидкістю світла, але потім він натрапляє на перехрестя і йому потрібно переключитися на перпендикулярний шлях.
«Раптом він відчуває опір, він має масу. Частинки або повністю мають енергію, або мають масу залежно від напрямку їхнього руху вздовж «доріжок» матеріалу».
Це визначний момент у фізиці, включно з тими, хто вперше висунув гіпотезу про явище ще у 2008 році. Однак тут ще багато чого потрібно дослідити, зокрема з’ясувати, як витягти окремі шари з багатошарового кристала ZrSiS, перш ніж ми зможемо почати думати про це. його повні наслідки та будь-яке практичне використання.
«Найбільш захоплююча частина цього експерименту полягає в тому, що дані ще не можуть бути повністю пояснені», — каже Шао. «Є багато нерозгаданих таємниць у тому, що ми спостерігали, тож це те, над чим ми працюємо, щоб зрозуміти». Дослідження опубліковано в Physical Review X.